层状复合型半导体阴极材料的研制及其分解水应用
发布时间：2017-10-18 01:43
本文关键词：层状复合型半导体阴极材料的研制及其分解水应用
【摘要】：利用可再生资源发电电解水制氢和直接利用太阳能光电分解水制氢因其能耗低可再生性强,而成为最具有潜力的制氢技术。这两种制氢方式都需要在析氢阴极的催化下才能实现。然而,目前用于分解水制氢的阴极存在着一些问题,如在电催化中,存在析氢过电位较大、电极的制备过程复杂、成本过高等问题;而在光电催化中,存在有效吸光材料缺乏、电子与空穴易复合、光电转换效率低等问题,从而大大限制了此类电极在分解水产氢中的催化活性。因而,设计及构造高效稳定的阴极材料对实现分解水制氢的工业化应用意义重大。基于此,本论文以高效稳定的阴极材料的构建为目标,以内在性质可调的纳米半导体为材料,通过优化电极的制备方法、负载助催化剂等方法设计和制备层状复合型的高效析氢阴极,并研究其在分解水制氢中的催化性能。主要研究内容如下:1.Ni-S/ITO电极的制备及其电催化分解水产氢应用为了改善金属硫化物制备繁琐的问题,本实验使用一步光协助电沉积法制备出具有高效稳定性能的电催化产氢电极Ni-S/ITO,并通过电化学分析筛选得到性能最好的电极的Ni-S负载量为6层。分别在中性和碱性介质中考察了该电极在电催化过程中的稳定性,结果表明,在两种不同的电解质中持续反应22 h和11 h电流密度没有明显衰减,该电极具有很好的稳定性。此外,把Ni-S/ITO电极用于实际产氢反应,该电极表现出了优异的电催化产氢活性,具有较低的过电势,在-0.4 V(vs RHE)的电压下可产生1mA?cm-2的电流密度,且法拉第效率接近100%。机理研究表明,Ni-S/ITO电极具有如此高的催化产氢活性是因为Ni-S大大降低电子在界面间的传输阻力,促进了质子与电子结合生成H2;采用SEM、TEM、XRD、XPS等分析方法对上述性能优异的电极进行了表征分析,证明了该电极的活性成分是NiS/Ni(OH)2。本实验方法在常温常压下进行,操作简单,可控性强,为大规模生产提供了可能。2.MoS_2/CdSe/NiO光电阴极的制备及其催化分解水产氢应用本文采用吸光范围宽、稳定性好的无机纳米材料CdSe取代谱带窄的有机染料作为吸光材料,使用离子交替吸附法(SILAR)使CdSe层原位生长在NiO表面,构成CdSe/NiO光电阴极,并通过优化沉积量,得知当CdSe的沉积层数为6层时,其光电催化性能最佳。对所制的CdSe/NiO电极进行了SEM、UV-vis、计时电流表征,发现CdSe的沉积提高了电极在可见光区域的吸收,从而提高了光电流密度。此外,考察了CdSe/NiO电极在氮气饱和与空气饱和的中性介质中的稳定性,结果表明该电极在7 h的反应过程中电流很平稳,表现出了优异的稳定性。对影响CdSe/NiO电极产氢的因素做了探讨,结果表明,我们所制备的电极是一种优良的光电阴极,且光源、外加电压和助催化剂是该电极光电催化分解水产氢的必要条件。MoS_2负载后,电极的电流密度大大提高,其产氢速率可达到0.52μmol h-1 cm-2(CdSe/NiO电极仅为0.07μmol h-1 cm-2),且法拉第效率接近100%。采用TEM,XPS、ICP、UV-vis和计时电流等分析方法对MoS_2/CdSe/NiO电极进行了表征分析。3.基于g-C_3N_4的光电阴极的构建及其催化产氢应用g-C_3N_4作为一种新型的非金属光催化材料,具有很大的应用价值,但把其作为吸光材料在光电阴极的应用还未被研究。本文通过简单热聚合方法将g-C_3N_4原位生长在NiO表面,制备出了新型的基于非金属g-C_3N_4的光电阴极,采用SEM、TEM、XPS等分析方法对其结构和形貌进行了表征,采用UV-vis和电化学分析方法考察了g-C_3N_4/NiO光电阴极的光电催化性能,结果表明,NiO和g-C_3N_4的复合大大提高了电极的光电性能,与单独的NiO电极和g-C_3N_4电极相比其光电流密度分别提高了10倍和20倍之多。在有无氧气存在的电解质中通过长时间反应考察了该电极的稳定性,结果表明g-C_3N_4/NiO电极在两种情况下反应过程中的光电流均无衰减现象,且通过反应前后的XPS对比也发现其电极组分未发生任何变化,表明我们制出了一种性能很稳定的光电阴极。考察了g-C_3N_4/NiO光电阴极在实际光电分解水产氢中的催化性能,发现其在-0.2 V(vs RHE)的电压下4小时可产生0.64μmol的氢气,与通过外电路中的电荷计算出的理论产氢量相比知道其法拉第效率接近100%,且把该电极应用到实际中的太阳光分解水实验中,发现其产氢效果也是可观的。荧光光谱与阻抗谱分析探究了g-C_3N_4/NiO光电阴极光电催化分解水产氢的机理。
【关键词】：电催化 光电催化 阴极 制氢 机理
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2;O643.36
【目录】：
- 摘要3-5
- Abstract5-9
- 第一章 绪论9-21
- 1.1 引言9
- 1.2 （光）电解水制氢的基本原理9-11
- 1.3 电解水制氢11-14
- 1.3.1 电解水制氢的研究意义11
- 1.3.2 电解水制氢电极材料研究现状11-13
- 1.3.3 电解水制氢电极材料发展方向13-14
- 1.4 光电催化分解水制氢14-19
- 1.4.1 光电阴极的研究意义14-16
- 1.4.2 影响光电阴极效率的因素16-17
- 1.4.3 光电阴极的研究进展及提高光电阴极效率的方法17-19
- 1.5 本论文的选题思路及研究内容19-21
- 第二章 Ni-S/ITO电极的制备及其电催化分解水产氢应用21-33
- 2.1 前言21
- 2.1.1 研究背景21
- 2.1.2 本章创新点21
- 2.2 实验试剂21-22
- 2.3 主要实验仪器22
- 2.4 实验方法22-24
- 2.4.1 Ni-S电催化剂的制备22-23
- 2.4.2 表征方法23
- 2.4.3 电化学性能测试23-24
- 2.5 实验结果与讨论24-32
- 2.5.1 电极的电催化性能24-28
- 2.5.2 电极的电催化产氢机理28-29
- 2.5.3 电极的表征分析29-32
- 2.6 本章小结32-33
- 第三章 MoS_2/CdSe/NiO光电阴极的制备及其催化产氢应用33-50
- 3.1 引言33-34
- 3.1.1 研究背景33-34
- 3.1.2 本章创新点34
- 3.2 实验试剂34
- 3.3 主要实验仪器34-35
- 3.4 实验方法35-37
- 3.4.1 MoS_2/CdSe/NiO光电阴极的制备35-36
- 3.4.2 表征方法36
- 3.4.3 光电化学性能测试36-37
- 3.5 实验结果与讨论37-49
- 3.5.1 CdSe/NiO光电阴极的表征分析37-41
- 3.5.2 MoS_2/CdSe/NiO光电阴极的表征分析41-45
- 3.5.3 MoS_2/CdSe/NiO光电阴极的产氢性能及机理研究45-49
- 3.6 本章小结49-50
- 第四章 基于g-C_3N_4的光电阴极的构建及其催化产氢应用50-65
- 4.1 引言50-51
- 4.1.1 研究背景50
- 4.1.2 本章创新点50-51
- 4.2 实验试剂51
- 4.3 主要实验仪器51-52
- 4.4 实验方法52-53
- 4.4.1 g-C_3N_4/NiO光电阴极的制备52
- 4.4.2 表征方法52-53
- 4.4.3 光电化学性能测试53
- 4.5 实验结果与讨论53-64
- 4.5.1 g-C_3N_4/NiO光电阴极的表征分析53-59
- 4.5.2 影响g-C_3N_4/NiO光电阴极产氢的因素与产氢效率59-62
- 4.5.3 g-C_3N_4/NiO光电阴极产氢的机理研究62-64
- 4.6 本章小结64-65
- 第五章 全文总结与展望65-67
- 5.1 全文总结65-66
- 5.2 展望66-67
- 致谢67-68
- 参考文献68-78
- 附录: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文78
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4 韩斌;;对通电分解水简易装置的改进[J];中小学实验与装备;2011年03期
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本文编号：1052244
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